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(11) | EP 0 241 764 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung und Lokalisierung von Schäden in elektrischen Anlagen |
| (57) Die vorliegende Erfindung betrifft ein globales Überwachungssystem zur Erkennung
und Lokalisierung von Schäden in elektrischen Anlagen, insbesondere in Generatoren
bzw. Kraftwerksblöcken, wobei an mehreren Stellen der Anlage Meßstellen (HF 1 a, HF
1b, HF 2a, HF 2b, HF 3, HF 4, HF 5, HF 6, HF 7a, HF 7b, HF 8) eingerichtet werden,
deren Meßwerte untereinander und mit simulierten Signalen verglichen werden. Durch
Verwendung eines in einem Rechner nachgebildeten Hochfrequenz-Netzwerkes der betreffenden
elektrischen Anlage ist eine genaue Simulation von Fehlern möglich, wodurch sich nach
Vergleich mit den Meßwerten eine genaue Diagnose bezüglich Schadensart und Schadensort
ergibt. Die Diagnose kann qualitativ verbessert werden durch Einbeziehung von Meßsignalen
aus Schallaufnehmern (US la, US 1b, US 3, US 4, US 5, US 7a, US 7b). Meßstellen für
Hochfrequenz und Schall werden insbesondere vorgeschlagen für den Generator GE, den
Generator- schutz GS, die Eigenbedarfs-Transformatoren (EBT a, EBT b), die Maschinen-Transformatoren
(MT a und MT b), sowie die Netzschutzkondensatoren (NSK). |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Schäden in elektrischen Anlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Aus einem Fachaufsatz von H. Nieschwietz und W. Stein in der "Elektrotechnischen Zeitschrift etz-a", Band 97 (1976), Heft 11, S. 657 bis 663, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt. Es wird gemäß diesem Aufsatz als Mittel der Qualitätskontrolle an Hochspannungs-Transformatoren angewendet. In dem Aufsatz werden als alternative Verfahren elektrische Teilentladungs-Messungen und Schall-Messungen beschrieben. Ferner sind in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 35 26 149.8 und den europäischen Patentanmeldungen 86117 085.0 und 86117 807.7, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, Verfahren und Vorrichtungen zur Teilentladungs-Messung bzw. Hochfrequenz-Auskopplung und Ultraschallüberwachung bekannt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher für Einzelheiten dieser Messungen auf diese beiden Anmeldungen verwiesen.
[0002] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aus den bisher bekannten Meßanordnungen bzw. -verfahren, eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur globalen Betriebsüberwachung von elektrischen Anlagen, insb. Generatoren bzw. Kraftwerksblöcken, zu schaffen, welches eine Früherkennung von Schäden und vor allem eine Diagnose und Lokalisierung der Schäden ermöglichen soll. Ferner soll durch Angabe besonders geeigneter und ohne große Umbaumaßnahmen einrichtbarer Meßstellen die Nachrüstung von Kraftwerksblöcken mit den erfindungsgemäßen Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht werden.
[0003] Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß dem Anspruch 1 vorgeschlagen, an mindestens drei Meßstellen kontinuierlich oder periodisch Meßwerte zu gewinnen. Anders als bei den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren soll die Auswertung dieser Meßsignale nicht nur durch Vergleich mit Kalibriersignalen erfolgen, sondern es soll die gesamte elektrische Anlage in einem Rechner als Hochfrequenz-Netzwerk nachgebildet werden, was auch die Simulierung von Schäden und die Verfolgung der durch diese Schäden entstehenden Signale durch das gesamte Netzwerk ermöglicht. Auf modernen Rechenanlagen ist es in an sich bekannter Weise möglich, Netzwerke nachzubilden und die Eingabe von Signalen an beliebigen Stellen in solchen Netzwerken zu simulieren und die Signalwege und dabei auftretenden Veränderungen der Signale zu verfolgen. Durch Vergleich von Meßsignalen mit simulierten Signalen läßt sich so eine sehr genaue Diagnose der Schadensart und des Schadensortes bewerkstelligen, wobei die Qualität der Diagnose naturgemäß mit der Anzahl der gewonnenen Meßwerte zunimmt.
[0004] Geeignete Meßstellen werden im Anspruch 2 angegeben und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Ansprüchen 3 bis 6 enthalten, wie sie anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
[0005] Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens werden in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben und ebenfalls anhand der Zeichnung näher erläutert.
[0006] Beispielhaft anhand eines Kraftwerksblockes ist eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches, an sich bekanntes Schaltbild eines Kraftwerksblockes mit Meßstellen zur Auskopplung von Hochfrequenz-Signalen und Schall-Signalen,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Turbogenerator mit Erregereinrichtung,
Fig. 3 und 4 schematische Flußpläne für die Verarbeitung und Auswertung der Meßsignale.
[0007] In Fig. 1, dem schematischen Schaltbild einesKraftwerksblockes, sind die nach dem Stand der Technik an sich bekannten Einzelheiten, die für die Erfindung nicht von Bedeutung sind, nicht weiter bezeichnet. Wesentliche Teile sind der Generator GE, der Generator-Schutz GS, die beiden Maschinen-Transformatoren MT a, MT b, die beiden Eigenbedarfs-Transformatoren EBT a, EBT b und die Netzschutz-Kondensatoren NSK. Gemäß an sich bekannten oder in den noch nicht veröffentlichten o. g. Patentanmeldungen enthaltenen Anordnungen, sind die angegebenen Einzelteiledes Kraftwerksblockes mit Schallaufnehmern, insbesondere für Ultraschall-Signale, ausgerüstet. Die Maschinen-Transformatoren MT a bzw. MT b weisen je drei Schallaufnehmer US 1a bzw. US 1b auf, während die Eigenbedarfs-Transformatoren EBT a, bzw. EBTb. mit beispielsweise je zwei Schallaufnehmern US 7a bzw. US 7b ausgestattet sind. Ferner weist der Generator GE in seinem vorderen und in seinem hinteren Wassersammelring (wie in Fig. 2 besser zu erkennen ist) beispielsweise je drei Schallaufnehmer US 3, US 4, US 5 auf. Alle diese Schallaufnehmer bilden insgesamt einen Zweig des vorgeschlagenen Betriebsüberwachungs-Systems, welcher Erkennung und teilweise Lokalisierung von Schäden aufgrund von Schall-Signalen ermöglicht.
[0008] Erfindungsgemäß wird zusätzlich vorgeschlagen, einen Kraftwerksblock mit mindestens 3, vorzugsweise jedoch wesentlich mehr Meßstellen zur Auskopplung von Hochfrequenz (HF) auszurüsten. Solche Meßstellen können insbesondere in folgenden Einrichtungen bestehen:
a) HF 1a, HF 1b: Kapazitive Teiler der Hochspannungs-Durchführungen der Maschinen-Transformatoren MT a, MT b;
b) HF 2a, HF 2b: Hochfrequenz-Widerstände in Verbindung mit Ankopplungsvierpolen als Unterteiler zu den vorhandenen Netzschutz-Kondensatoren NSK;
c) HF 3: Kapazitive HF 3.1 oder induktive HF 3.2 Kopplung innerhalb des Generators, strangweise an den Schaltleitungen durch Erdungsbeläge oder zusätzliche Koppelkapazitäten;
d) HF 4: Hochfrequenz-Stromwandler über Sternpunkt-Ableitung HF 4.1 oder kapazitiven Teiler HF 4.2 im Sternpunkt gegen Erde;
e) HF 5: Hochfrequenz-Stromwandler über eine separate Erdungsleitung des Ständerblechpaketes;
f) HF 6: Kapizitive Auskopplung über Generatorwelle und Erregerlager evtl. mit zusätzlicher Antenennen-Kopplung;
g) HF 7 a: Kapazitive Auskopplung unter Benutzung HF 7 b: des Kabel-Erdbelages oder durch ohmsche Teiler mit Hochfrequenz-Charakteristik auf Eigenbedarf-Spannungsebene;
h) HF 8: Kapazitive oder galvanische (ohmsche Anbindung im Generatorschutz GS.
[0009] Fig. 2 zeigt im Längs-Axialschnit einen Turbogenerator GE mit Erregeranordnung, anhand dessen die räumliche Anordnung der in Fig. 1 im Schaltbild gezeigten Meßstellen verdeutlicht wird. An sich bekannte Teile des Turbogenerators, die für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung sind, werden dabei im einzelnen nicht erläutert. Erkennbar ist die Anordnung von Schallaufnehmern in den vorderen bzw. hinteren Wassersammelringen des Generators GE, wobei nur einer von jeweils 3 Aufnehmern in jedem Wassersammelring schematisch angedeutet ist. Im vorderen Wassersammelring ist dies der Aufnehmer US 3.2, im hinteren Wassersammelring der Aufnehmer US 3.1. Außerdem sind aus dieser Figur mehrere der in Fig. 1 angegebenen Meßstellen zur Hochfrequenz-Auskopplung mit ihrem schematisch angedeuteten Aufbau angegeben. Wie dargestellt, ist eine Hochfrequenz-Auskopplung durch kapazitive HF 3.1 oder induktive HF 3.2 Kopplung innerhalb des Generators strangweise an den Schaltleitungen möglich, und zwar durch Erdungsbeläge oder zusätzliche Koppelkapazitäten. Die Ankopplung an den Schaltleitungen ermöglicht eine besonders günstige Meßstelle. Ferner ist eine Auskoppelstelle durch Hochfrequenz-Stromwandler über Sternpunktableitung HF 4.1 oder einen kapazitiven Teiler im Sternpunkt gegen Erde HF 4.2 angedeutet. Eine weitere besonders günstige Meßstelle HF 5 ergibt sich durch einen Hochfrequenz-Stromwandler über eine separate Erdungsleitung des Ständerblechpaketes. Ferner ist eine weitere Meßstelle HF 6 gemäß der älteren nicht vorveröffentlichten Anmeldung P 35 43 927.0 angegeben, welche eine kapazitive Auskopplung über Generatorwelle und Erregerlager ermöglicht.
[0010] Die Auswertung der gewonnenen Betriebsmeßsignale wird anhand von Flußplänen in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt. Dabei wird davon ausgegangen, daß m Meßstellen für Hochfrequenzsignale und n Meßstellen für Schall-Signale an der elektrischen Anlage vorhanden sind. Sowohl Hochfrequenzsignale (HF) wie auch Schall-Signale (US) werden zunächst daraufhin überprüft, ob die Signale vom störungsfreien Betrieb der Anlage stammen. Solche Signale sind für die überwachung nicht von Bedeutung und werden nicht weiter verarbeitet. Abnorme Signale jedoch werden weitergegeben, gespeichert und zur weiteren Analyse verarbeitet. Dabei kann zunächst ein Vergleich zwischen den HF- und den US-Signalen für eine erste Plausibilitätsuntersuchung herangezogen werden. Bei der Weiterverarbeitung der HF-Signale kann zunächst durch Vergleich der Meßsignale aus verschiedenen Phasen die schadhafte Phase festgestellt werden. Ferner ist durch Hinzuziehung der Schallsignale meist eine Feststellung der betroffenen Anlagenkomponente möglich. Nach dieser Grobortung kann eine Feinanalyse mit Hilfe eines simulierten Fehlers in einem Modellnetzwerk des betroffenen Kraftwerksblockes bzw. der Komponente durchgeführt werden. Diese Feinanalyse liefert dann eine Diagnose mit Angaben über die Fehlerart und den Fehlerort. Auch in diesem Stadium ist wiederum ein Vergleich mit den sich aus den Schall-Signalen ergebenden Diagnosen möglich. Ggf. noch vorhandene Diskrepanzen können ebenfalls angezeigt, ausgedruckt oder gespeichert werden.
[0011] Fig. 4 zeigt weitere Einzelheiten der Auswertung. Zunächst wird angedeutet, daß es sich bei den HF- bzw. US-Signalen jeweils um eine größere Zahl von Meßstellen und Meßwerten handeln kann. Die Meßstellen für Hochfrequenz-Signale sind dabei teilweise noch für jeweils drei Phasen R, S, T, ausgelegt. über Grenzwertgeber wird eine Vorauswahl der erfaßten Signale getroffen, wobei Signale, die vorgebbare Grenzwerte überschreiten, gespeichert und weiter analysiert werden. Wiederum erfolgt eine Analyse zur Erkennung von Systemimpulsen, d. h. von Impulsen, welche nicht auf eine Störung, sondern auf den üblichen Betrieb der Anlage hinweisen. Erkannte Störimpulse werden - wie schon erläutert - mit simulierten Signalen verglichen und das Ergebnis ausgedruckt oder angezeigt. Zusätzlich ist eine Untersuchung durch Transienten-Rekorder und dgl. möglich mit einem Ausdruck der sich ergebenden Bilder. Bei den Schall-Signalen ist eine Ortung auch über reine Laufzeitanalyse in an sich bekannter Weise möglich.
a) Die Messungen werden während des Betriebes der Anlage kontinuierlich oder periodisch an mindestens drei Stellen durchgeführt;
b) die elektrische Anlage wird in einem Rechner als Hochfrequenz-Netzwerk nachgebildet, wobei auch Schäden mit ihren daraus an den Meßstellen entstehenden Signalen simulierbar sind;
c) bei Auftreten von Meßwerten, die auf Schäden hinweisen, werden diese mit den simulierten Signalwerten für verschiedene Schäden und Schadensorte verglichen, insbesondere bezüglich Frequenzspektrum, Laufzeit, Amplitude und/oder Phasenlage;
d) die Art und der Ort des Schadens werden aus den am besten mit den Meßwerten übereinstimmenden simulierten Signalwerten und den zugehörigen simulierten Schäden ermittelt.
a) Hochfrequenz-Auskopplung über an sich bekannte kapazitive Teiler der Hochspannungs-Durchführungen der Trafos (HF 1a, HF 1b);
b) Hochfrequenz-Auskopplung HF 2a, HF 2b über Hochfrequenz-Widerstände in Verbindung mit Ankopplungsvierpolen als Unterteiler zu den vorhandenen Netzschutzkondensatoren (NSK);
c) Hochfrequenz-Auskopplung durch kapazitive (HF 3.1) oder induktive (HF 3.2) Kopplung innerhalb des Generators (GE) strangweise an den Schaltleitungen;
d) Hochfrequenz-Auskopplung durch Hochfrequenz-Stromwandler über Sternpunktableitung (HF 4.1) oder kapazitiven Teiler im Sternpunkt gegen Erde (HF 4.2);
e) Hochfrequenz-Auskopplung durch Hochfrequenz-Stromwandler über eine separate Erdungsleitung des Ständerblechpaketes (HF 5);
f) Hochfrequenz-Auskopplung, kapazitiv, über Generatorwelle und Erregerlager (HF 6), evtl. mit zusätzlicher Antennenkopplung;
g) Hochfrequenz-Auskopplung über kapazitive Benutzung des Kabel-Erdbelages oder ohmsche Teiler mit Hochfrequenz-Charakteristik auf der Eigenbedarf-Spannungsebene (HF 7a, HF 7b);
h) Hochfrequenz-Auskopplung über kapazitive oder galvanische bzw. ohmsche Anbindung (HF 8) im Generator- schutz (GS).
dadurch gekennzeichnet, daß die Störsignale der verschiedenen Meßstellen über Transienten-rekorder und/oder auf dem Oszillographenbildschirm nach Höhe, Form und/oder Phasenlage analysiert werden.
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Meßwerte von Schallmeßaufnehmern (US 1a, US 1b, US 3, US 4, US 5, US 7a, US 7b) mit überwacht und bei der Analyse des Schadens mit herangezogen werden.